激光干涉位移测量原理

激光干涉位移测量技术

张欣（2015110034）

摘 要：为了实现纳米级以上分辨力位移的测量研究，利用激光干涉位移测量技术可以达到纳米级分辨力，其具有可溯源、分辨力高、测量速度快等特点，是目前位移测量领域的主流技术。本文对目前主要的激光干涉位移测量技术进行了分类介绍，并对各种干涉仪的特点进行了分析，最后介绍了激光干涉位移测量技术的国内外发展现状和趋势。

关键词：纳米级；激光干涉；位移测量；

1 引言

干涉测量技术( interferometry ) 是基于电磁波干涉理论，通过检测相干电磁波的图样，频率、振幅、相位等属性，将其应用于各种相关的测量技术的统称。用于实现干涉测量技术的仪器被称为干涉仪。在当今多个科研领域，干涉测量技术都发挥着重要的作用，包括天文学，光纤光学，以及各种工程测量学。其中由于上个世纪60年代激光的研制成功，使得激光干涉测量技术在各种精密工程领域得到了广泛的应用。它的基本功能是将机械位移信息变成干涉条纹的电信号，再对干涉条纹进行调理和细分，进而获得所需要的测量信息。整个激光干涉测量系统中主要的组成部分有光电转换、信号调理、信号细分处理。 1.1激光干涉仪分类

激光干涉仪是以干涉测量为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备

激光双光栅法测量微小位移

一、实验目的

1. 熟悉一种利用光的多普勒频移形成光拍的原理，精确测量微弱振动位移的方法。

2. 作出外力驱动音叉时的谐振曲线。 二、实验仪器

示波器,双光栅微弱振动测量仪。 三、实验原理

当移动光栅相对静止光栅运动时，若有一激光束通过这样的双光栅，便能产生光的多普勒效应。由于光频率甚高，因此必须采用“拍”的方法进行测量，即把频移和非频移的两束光互相平行叠加使之形成光拍，再通过光电检测器检测，取出差频讯号，就可以精确测定微弱振动的位移。 1.位相光栅的多普勒频移：

所谓位相物体就是指那些只有空间的相位结构，而透明度是一样的透

明体。位相物体只能改变入射光的相位，而不影响其振幅。当激光平面波垂直入射到位相光栅时，由于位相光栅上不同的光密和光疏媒质部分对光波的位相延迟作用，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，如图4- -1所示，由于衍射干涉作用，在远场，我们可以用大家熟知的光栅方程即（4--1）式来表示：

dsin??n? （4- -1） 式中d为光栅常数，?为衍射角，?为光波波

课程设计Ⅱ（论文）说明书

题 目：激光三角法测量物体位移 学 院：电子工程与自动化学院 专 业： 光信息科学与技术 学生姓名： 覃荣梅 学 号： 1000830303 指导教师： 王新强

2014 年 1月 5 日

激光三角法测量物体位移

摘 要

本课程设计基于激光三角法原理对物体较小范围内的移动进行测量。在长度、距离及三位形貌等的测试中有广泛应用。通过激光三角法两个方案直射式和斜射式的特点，结合实验条件，选择最合适的方案进行测量。本次测量最大的特点就是非接触式测距，实际中对非接触式测距一般很难知道物体到成像透镜的距离，可由成像透镜焦距以及激光光线和物体散射光线组成的三角形的边长计算出该距离。通过定标，得出透镜上成像距离与物体像移动距离间的对应关系，用此标尺作为计算移动位移的标准。移动物体采集光斑图像，用matlab软件对图像处理进行处理，计算像的移动距离，再根据几何关系推导出物体的实际移动距离。在最后计算出该方案的标准不确定度，并对方案产生的误差进行分析，提出改进意见。设计方案光路简单，方便快捷，受环境影响小而且

电子散斑

一、实验内容：

1．了解电子散斑干涉原理； 2．掌握干涉光路及图像处理软件； 3．学会使用本系统来测量三维离面位移。

二、实验仪器：

成像透镜

被测物体 平面镜

氦氖激光器

CCD摄像头

分光镜

扩束镜

图一 XGS-1 电子散斑干涉(ESPI)实验系统

三、实验原理：

电子散斑干涉法是用激光光束直接照射到测试表面，再用电子摄像机采集其变形前后表面散斑颗粒干涉形成的条纹，以测定其离面位移的一种新型、先进的测试技术，其光路如下图所示，图二为测量离面位移（即前后沿Z轴方向的位移W）的光路，由激光器1发出的激光束，经扩束镜2及准直镜3形成光斑放大了的准直光，再经分光镜4分成两束，一束照射到反射镜5再返回，另一束照射到被测物6的表面再返回，两束返回的光束干涉形成干涉条纹，也就是一系列等位移线N，则离面位移为

W=λN/2

式中λ为测试光的波长，N为条纹的级数。

图二 光路图

四、实验步骤：

1、把平台摆放好，并调平。

2、各个实验仪器的位置参看图一，先把各个仪器的中心高度调至共轴。

3、使激光器发出的光束平行于工作平台的工作面。分别放入扩束镜和准直镜，调节准直镜，使通过它的被扩束的激光变成平行光，平行光束应通过放入光路中（分光镜、

机械工程综合实

践 实验报告

课程名称 机械工程综合实践 专 业 精密工程 指导教师 彭小强 小组成员 刘强 14033006

谌贵阳 吴志明 实验日期 2012.4.2—2011.6.25

国防科学技术大学机电工程与自动化学院

目 录

1激光干涉仪 1.1激光干涉仪介绍 1.2激光干涉仪原理

2 激光干涉仪测量机床的直线度 2.1实验器材以及平台的搭建 2.2激光干涉仪的调试 2.3直线度的测量

3 激光干涉仪测量机床的重复定位精度 3.1实验器材以及平台的搭建 3.2激光干涉仪的调试 3.3重复定位精度的测量 4 实验分析与总结

目录

一、实验目的与任务 .......................................... 4 二、实验内容与要求 .......................................... 4 三、实验条件与设备 ....................................

第一章、前言

一、本次我们主要研究：如何检测机床的螺距误差。因此我们主要的任务在于：

1. 应该使用什么仪器进行测量 2. 怎么使用测量仪器 3. 怎么进行数据分析

4. 怎么将测量所得的数据输入对应的数控系统 二、根据第一点的要求，我们选择的仪器为：Renishaw 激光器测量系统，此仪器检测的范围包括：

1. 线性测量 2. 角度测量 3. 平面度测量 4. 直线度测量 5. 垂直度测量 6. 平行度测量

线性测量：是激光器最常见的一种测量。 激光器系统会比较轴位置数显上的读数位置与激光器系统测量的实际位置，以测量线性定位精度及重复性。

三、根据第二点的解释，线性测量正符合我们检测螺距误差的要求。因此，我们此次使用的检测方法——线性测量。

总结以上我们的核心在于：如何操作Renishaw 激光器测量系统结合线性测量的方法进行检测，之后将

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检测得到的数据进行分析，最后将分析得到的数据存放到数控系统中。这样做的目的在于——提高机床的精度。

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第二章、 基础知识

2.1 什么是螺距误差？

开环和半闭环数控机床的定位精度主要取决于高精度的

滚珠丝杠。但丝杠总有一定螺距误差，因此在加工过程中会造成零件

位移测量装置

1

摘要：作品根据差动变压器互感变化引起输出电压变化的原理，自制线性差动变压器(LVDT)检测外部位移量，整机由4大模块组成，分别为供电模块，正弦信号产生模块，LVDT位移检测与处理模块，单片机控制模块，另外还利用直流电机设计了闭环控制电路。作品采用MSP430作为主控中心，利用内部集成的AD对源自差动变压器的信号进行采样，经线性转换后得到位移量，并显示。测试结果表明本作品测量误差小。测量范围可达到-20mm~+20mm，测量最大绝对误差为1mm。可键盘设定磁棒位移量，驱动磁棒达到设定值，位移误差小于1mm。

关键词：差动变压器 线性 检测

一、 系统设计

本设计为位移检测装置，属于非电量测量仪器。目前对非电量的检测常常采用两种方法。一是将其转换为电量，另外一种是利用非电量自身的特性采用机械装置进行检测。本作品采用前者。

方案一:采用同轴连杆电位器，外部位移带动同轴连杆。利用电桥原理将位移量转换成电压差值信号。

方案二:采用差动变压器，改变磁棒的位移从而改变输出端的电压差值。借助位移与电压差值信号的一一对应关系来找到实际的位移值。本系统应题目要求采用方案二。基本结构图如下:

差动变压器信号调理位移显示增益切换AD直流电机

现代传感技术 第三次作业

数字式传感器

学院：信息工程学院 班级：电子12-2班 学号：201210203006 姓名：赵永盛

激光位移传感器的应用

基本原理

激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。

按照测量原理,激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量，下面分别介绍激光位移传感器原理的两种测量方式。

三角测量法

激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据

这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。

同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可独立设置检测窗口。

采取三角测量法的激光位移传感器最高线性度可达1

第四章 位移的测量

4.1 位移检测 位移是向量，是指物体或其某一部分的位置相对参考点在一定方向上产生的位 置变化量。 因此位移的度量除要确定其大小外，还 要确定其方向。

第四章 位移的测量一、位移测量的分类： 按被测量，位移的测量分为线位移测量和角位移测量。

按测量参数的特性，位移测量分为静态位移测量和动态位 移测量。二、位移测量注意问题： 测量方向与位移方向重合 位移是指物体上某一点在一定方向上的位置变动，是矢量。 如果测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅仅反映该 而不能真实反映需测位移的大小。 测量方向上的分量， 位移测量时，应当根据不同的测量对象，选择适当的测量 点、测量方向和测量系统。

第四章 位移的测量三、 常用的位移传感器

电阻：应变、压阻、变阻。 电感：自感：变气隙、螺线管； 互感：差动变压器； 涡流。 电容：变面积、变极距、变介电常数。 霍尔元件。 光栅、光电编码盘、磁尺、激光干涉仪。 根据环境、动态特性、量程、精度、价格等参数选择。

4.1 常用位移传感器型 式 电阻式 滑线式 线位移 角位移 变阻器 线位移 角位移 应变式 非粘贴式的 粘贴的 半导体的 测量范围 1~300 mm 0°~360

第四章 位移的测量

4.1 位移检测 位移是向量，是指物体或其某一部分的位置相对参考点在一定方向上产生的位 置变化量。 因此位移的度量除要确定其大小外，还 要确定其方向。

第四章 位移的测量一、位移测量的分类： 按被测量，位移的测量分为线位移测量和角位移测量。

按测量参数的特性，位移测量分为静态位移测量和动态位 移测量。二、位移测量注意问题： 测量方向与位移方向重合 位移是指物体上某一点在一定方向上的位置变动，是矢量。 如果测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅仅反映该 而不能真实反映需测位移的大小。 测量方向上的分量， 位移测量时，应当根据不同的测量对象，选择适当的测量 点、测量方向和测量系统。

第四章 位移的测量三、 常用的位移传感器

电阻：应变、压阻、变阻。 电感：自感：变气隙、螺线管； 互感：差动变压器； 涡流。 电容：变面积、变极距、变介电常数。 霍尔元件。 光栅、光电编码盘、磁尺、激光干涉仪。 根据环境、动态特性、量程、精度、价格等参数选择。

4.1 常用位移传感器型 式 电阻式 滑线式 线位移 角位移 变阻器 线位移 角位移 应变式 非粘贴式的 粘贴的 半导体的 测量范围 1~300 mm 0°~360